2022年高中物理 第四章 機(jī)械能和能源 第5節(jié) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 粵教版必修2

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1、2022年高中物理 第四章 機(jī)械能和能源 第5節(jié) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 粵教版必修2 一、學(xué)習(xí)目標(biāo) 1、知道機(jī)械能守恒的內(nèi)容、條件。 2、會(huì)根據(jù)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 二、學(xué)習(xí)重點(diǎn)難點(diǎn) 體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程 三、課前預(yù)習(xí)（自主探究） 1. 實(shí)驗(yàn)原理：在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能可以相互轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能守恒。設(shè)某時(shí)刻物體的瞬時(shí)速度為V，下落高度為h，則有： 。利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出重物下落時(shí)某時(shí)刻的 及下落的高度，即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。 2.實(shí)驗(yàn)器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、 、紙帶、復(fù)寫紙片、重物、 、

2、帶有夾子的鐵架臺(tái)、導(dǎo)線。 3.減小實(shí)驗(yàn)誤差：應(yīng)盡量減小重物下落時(shí)紙帶所受的阻力。因此重錘應(yīng)選______（填重、輕），紙帶應(yīng)_______放置。 4.(單選)關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的試驗(yàn)中，下列敘述正確的有（ ?。? A．天平測(cè)出重錘質(zhì)量 B．采用直流低壓電源 C．先接通電源，后釋放紙帶 D．測(cè)出重錘下落時(shí)間 5.(單選)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)計(jì)算得到的有 ( ) A．重錘質(zhì)量 B．下落時(shí)間 C．重錘的下落高度 　D．與

3、下落高度對(duì)應(yīng)的重錘的即時(shí)速度 四、課堂活動(dòng) （1）小組合作交流 知識(shí)點(diǎn)1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 圖4-5-1 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的關(guān)鍵是在滿足只有重力（或彈力）做功的前提條件，重力勢(shì)能（或彈性勢(shì)能）的變化同動(dòng)能的變化在誤差允許范圍內(nèi)相等，自由落體運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的機(jī)械能守恒問(wèn)題。物體減小的重力勢(shì)能可以通過(guò)測(cè)量物體下落的高度差計(jì)算，再利用平均速度與中間時(shí)刻瞬時(shí)速度的關(guān)系計(jì)算瞬時(shí)速度和動(dòng)能的改變量。 除自由落體外，任何滿足只有重力做功的情況機(jī)械能都是守恒的，因自由落體法阻力較大，且下落時(shí)間較短，不便觀察。為提高實(shí)驗(yàn)精確度可以選擇在氣墊導(dǎo)軌上操作實(shí)驗(yàn)，如圖4-5-1所示，滑塊與氣墊導(dǎo)軌間的摩擦

4、力非常小，幾乎為零，這樣滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)就等效為只有重力做功。我們只需要測(cè)出氣墊導(dǎo)軌上 的高度差就可測(cè)出重力勢(shì)能的減小量，再利用光電門測(cè)出滑塊 的時(shí)間，利用平均速度與中間時(shí)刻瞬時(shí)速度的關(guān)系計(jì)算 和 的改變量。通過(guò)比較經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門時(shí)減少的重力勢(shì)能和增加的動(dòng)能即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。 同理，平拋運(yùn)動(dòng)等只要滿足只有重力做功也可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 重點(diǎn)歸納 1.用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 (1)在該實(shí)驗(yàn)中選取氣墊導(dǎo)軌、光電門、數(shù)字計(jì)時(shí)器等器材，如圖4－5－1所示安裝實(shí)驗(yàn)裝置，圖中m為滑塊質(zhì)量，l為擋光板長(zhǎng)

5、度，G1、G2為光電門． (2)將滑塊從軌道上端某一處滑下，測(cè)出它通過(guò)光電門G1和G2時(shí)的速度v1和v2，可得到G1到G2這段位移中滑塊的動(dòng)能增量ΔEk＝mv－mv. (3)再算出G1到G2這段位移中滑塊重力勢(shì)能的減少量ΔEp，比較ΔEk和ΔEp，得到ΔEk＝ΔEp的結(jié)論，從而證明機(jī)械能守恒． 2. 利用平拋運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 圖4－5－2 (1)運(yùn)用如圖4－5－2所示的裝置，讓小球從光滑斜軌道的某一高度處由靜止開(kāi)始滾下．小球離開(kāi)軌道時(shí)做平拋運(yùn)動(dòng)． (2)測(cè)出圖中平臺(tái)高度H、小球在光滑斜軌道上由靜止開(kāi)始滾下時(shí)離平臺(tái)的高度h以及小球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的水平位移s. (3)由H＝gt2

6、算出小球做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，再由v＝算出小球離開(kāi)軌道時(shí)的速度v. (4)比較mgh和mv2的大小，即比較gh和v2的大小，若gh＝v2，則可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒． 知識(shí)點(diǎn)2 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及數(shù)據(jù)分析 誤差分析及數(shù)據(jù)處理方法 1．落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的注意事項(xiàng) (1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使穿紙帶的兩限位孔在同一豎直線上，以減少紙帶和限位孔的摩擦． (2)紙帶應(yīng)保持豎直，平直不卷曲，避免人為增大摩擦阻力． (3)紙帶選?。狐c(diǎn)跡清晰、點(diǎn)成一線及第1、2點(diǎn)間間距接近2 mm這樣的紙帶最合適． (4)測(cè)量下落高度時(shí)，必須從起點(diǎn)開(kāi)始算． (5)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)比較式為ghn和v，不需要進(jìn)行物體

7、質(zhì)量的測(cè)量，物體的質(zhì)量選取要盡量大些，以減小因摩擦造成的相對(duì)誤差． (6)數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意重力加速度g取當(dāng)?shù)氐闹担? (7)式子v＝是根據(jù)機(jī)械能守恒定律mgh＝mv2得到的，而我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證機(jī)械能守恒定律，顯然，運(yùn)用該式求解速度不妥． (8)不能用公式v＝gt求物體下落速度．該式認(rèn)為物體下落的運(yùn)動(dòng)加速度為g，而實(shí)際上在實(shí)驗(yàn)中不可避免地受到各種摩擦力的作用，如計(jì)時(shí)器的限位孔與紙帶的阻力等．因此下落的加速度必將小于g，而下落高度是直接測(cè)量值．這樣得到的是機(jī)械能增加的結(jié)論，而有阻力作用時(shí)機(jī)械能應(yīng)為減小的，故這種方法不能使用． (2)數(shù)據(jù)處理除了數(shù)學(xué)分析以外，還可以用作圖法來(lái)進(jìn)行處

8、理． 實(shí)驗(yàn)透視 用自由落體和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 圖4-5-6 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 驗(yàn)證節(jié)能守恒定律 【實(shí)驗(yàn)原理】 在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能互相轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能守恒，若物體某時(shí)刻速度為v，下落高度為h，恒有： mgh=mv2/2 圖4-5-7 故只需借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，通過(guò)紙帶測(cè)出重物某時(shí)刻的下落高度h和該時(shí)刻的瞬時(shí)速度，即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒. 測(cè)定第n點(diǎn)的瞬時(shí)速度的方法是：測(cè)出第n點(diǎn)相鄰的前、后兩段相等時(shí)間T內(nèi)下落的距離Sn和Sn+1，然后由公式vn=（Sn+Sn+1）/2T或由vn=（dn+1-dn-1）/2T算出（如圖4-5-6所

9、示）. 【實(shí)驗(yàn)器材】 鐵架臺(tái)(帶鐵夾)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，重錘(帶紙帶夾子)，紙帶幾條，復(fù)寫紙片，導(dǎo)線，直尺，學(xué)生電源. 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1. 1.按圖3-5-7把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與學(xué)生電源連接好. 2.把紙帶的一端用夾子固定在重錘上，另一端穿過(guò)計(jì)時(shí)器限位孔，用手豎直提起紙帶使重錘?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器附近. 3.先接通電源，后松手讓重錘帶著紙帶自由下落. 4.重復(fù)幾次，得到3～5條打好點(diǎn)的紙帶 5.在打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰的一條紙帶，在起點(diǎn)標(biāo)上O，以后各點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3、4、……用刻度尺測(cè)出對(duì)應(yīng)下落高度h1、h2、h3、h4…… 6.應(yīng)用公式

10、Vn=（dn+1-dn-1）/2T計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度V1、V2、V3…… 7.計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勢(shì)能減少量mgh，和動(dòng)能增量mv2n/2，進(jìn)行比較. 【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，物體機(jī)械能守恒。 【注意事項(xiàng)】 1.實(shí)驗(yàn)中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的安裝，兩紙帶限位孔必須在同一豎直線上，以減少摩擦阻力. 2.實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作正常后才松手讓紙帶重錘下落. 3.打點(diǎn)記時(shí)器必須接交流電源. 4.重錘的選擇應(yīng)是質(zhì)量較大，從而使重力遠(yuǎn)大于下落過(guò)程中所受的阻力，實(shí)現(xiàn)減小實(shí)驗(yàn)誤差的目的. 5.選用紙帶時(shí)應(yīng)盡量挑第一、二點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶. 6.計(jì)算下落高度時(shí)，都必

11、須從起始點(diǎn)算起。不能搞錯(cuò)，為了減小測(cè)量h的相對(duì)誤差，選取的各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)遠(yuǎn)一些，但紙帶也不宜過(guò)長(zhǎng)，有效長(zhǎng)度可在60cm-80cm內(nèi). 7.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求第一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)重錘開(kāi)始下落的時(shí)刻，這就要盡量使每點(diǎn)是清晰小點(diǎn)，為此提起紙帶的手要保持不動(dòng)，待接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開(kāi)紙帶. 8.測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，都必須從起始點(diǎn)開(kāi)始，只進(jìn)行一次刻度對(duì)齊，讀出各點(diǎn)高度，實(shí)現(xiàn)減少測(cè)量次數(shù)多而帶來(lái)的誤差. 9.實(shí)驗(yàn)中，只要驗(yàn)證gh是否等于V2/2即可，不用測(cè)重錘的質(zhì)量. （2）課堂小測(cè) 單項(xiàng)選擇題 1. 利用重錘下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，下列敘述正確的是 A．應(yīng)該用天平稱出物體的質(zhì)量B

12、．操作時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，再釋放紙帶 C．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接220 V的直流電源 D．應(yīng)用停表測(cè)量物體下落的時(shí)間 2．運(yùn)用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)重錘的要求，下列說(shuō)法不正確的是 A．質(zhì)量較大的 B．密度較大的 C．體積較小的 D．質(zhì)量、體積、密度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論沒(méi)有影響 3．在利用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用儀器直接測(cè)量的物理量有 A．重錘質(zhì)量 B．重錘下落的高度 C．重錘下落的瞬時(shí)速度 D．重錘下落的時(shí)間 4．實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)重錘減小的勢(shì)能總是大于重錘

13、增加的動(dòng)能，造成這種現(xiàn)象的主要原因是 A．選用的重錘質(zhì)量過(guò)大 B．選用的重錘質(zhì)量過(guò)小 C．空氣對(duì)重錘的阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的阻力影響過(guò)大 D．實(shí)驗(yàn)操作不細(xì)致，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確 5. 在用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中： 圖4－5－5 (1)所用重錘的質(zhì)量m＝1.0 kg，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50 Hz，打下的紙帶如圖4－5－5所示(圖中的數(shù)據(jù)為從起始點(diǎn)O到該點(diǎn)的距離)，則在打B點(diǎn)時(shí)，重錘的速度vB＝______m/s，重錘的動(dòng)能EkB＝_____J，從開(kāi)始下落到打B點(diǎn)時(shí)，重錘的勢(shì)能減少量是_______J.(取兩位有效數(shù)字) (2)根據(jù)紙帶算出各點(diǎn)的速度v

14、，量出下落距離h，則以v2為縱軸，以h為橫軸，畫出的圖線應(yīng)是下圖所示中的( ) 　 五、課外作業(yè) 六、課后反思 5. 在用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中： 圖4－5－5 (1)所用重錘的質(zhì)量m＝1.0 kg，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50 Hz，打下的紙帶如圖4－5－5所示(圖中的數(shù)據(jù)為從起始點(diǎn)O到該點(diǎn)的距離)，則在打B點(diǎn)時(shí)，重錘的速度vB＝______m/s，重錘的動(dòng)能EkB＝_____J，從開(kāi)始下落到打B點(diǎn)時(shí)，重錘的勢(shì)能減少量是_______J.(取兩位有效數(shù)字) (2)根據(jù)紙帶算出各點(diǎn)的速度v，量出下落距離h，則以v2為縱軸，以h為橫軸，畫出的圖線應(yīng)是下圖所示中的( ) 　 解析：vB＝＝ m/s＝0.79 m/s B點(diǎn)的動(dòng)能為EkB＝mv＝×1×0.792 J＝0.31 J 重錘的勢(shì)能減少量為 ΔEp＝mgh＝1×9.8×32.4×10－3 J＝0.32 J 因?yàn)閙gh＝mv2，故v2∝h，作出的v2－h(huán)圖線應(yīng)為過(guò)原點(diǎn)的直線，正確選項(xiàng)為C.